轎車柴油機可變氣門系統(tǒng)的潛力

【德】 Schneider S Genieser P Birke S Bücker C

1 動機與背景

自2014年起新獲準(zhǔn)上市的汽車不僅要實行歐6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，還要滿足歐洲議會EG433/2009號法令規(guī)定的二氧化碳（CO2）排放限值。據(jù)規(guī)定，汽車制造商整個車隊按新歐洲測試循環(huán)（NEDC）的CO2排放量自2012年起就要減少到130 g/km，至2020年要減少到95 g/km，達(dá)不到這個目標(biāo)將被罰款。圖1表示罰款變化曲線，即當(dāng)車隊CO2排放量超過規(guī)定限值時，制造商必須為售出的車輛支付罰款。對2015年前要求達(dá)到限值的比例進行了分級。在2012年，車隊中65%的汽車必須達(dá)到CO2限值；而到2015年，所有車輛都必須滿足這一限值要求。

因此，除了進一步降低廢氣原始排放之外，減少燃油耗將成為未來技術(shù)開發(fā)的目標(biāo)。可變氣門系統(tǒng)有可能實現(xiàn)上述沖突的目標(biāo)。目前，該系統(tǒng)不僅是汽油機的標(biāo)配技術(shù)，而且已成為柴油機的研究熱點[2，3]。減少顆粒（PM）排放的常規(guī)方法是利用位于充氣道中的渦流閥使缸內(nèi)氣流產(chǎn)生渦流運動。為了提高流經(jīng)充氣道的空氣質(zhì)量流量，關(guān)閉充氣道閥。柴油機也可通過可變進氣產(chǎn)生充量運動，從而避免應(yīng)用渦流閥及其相關(guān)的節(jié)流損失。原則上，借助于氣門升程切換或氣門升程隨時間的變化，可實現(xiàn)進氣的可變性。

進氣門控制系統(tǒng)匹配進氣門早關(guān)或晚關(guān)可減少氮氧化物（NOx）排放，挖掘減少CO2排放的潛力。通過降低有效壓縮比，可使附加的一部分壓縮轉(zhuǎn)移到壓氣機。這樣，有可能使壓縮終了溫度較低，從而使NOx排放較少。

2 可變進氣系統(tǒng)的構(gòu)造與功能

Mahle公司用可靠的凸輪套凸輪（CIC）技術(shù)（圖2）實現(xiàn)進氣的可變性，其顧及到了關(guān)閉時刻和充量運動的效果，以及成本和外形尺寸的優(yōu)化[4]。在CIC系統(tǒng)中，2根凸輪軸互相套著，并可旋轉(zhuǎn)，只占1根常規(guī)凸輪軸的外形尺寸空間。在外凸輪軸套管上，有固定的和可旋轉(zhuǎn)的凸輪，后者與內(nèi)凸輪軸相連。利用常規(guī)的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器就可使內(nèi)軸相對外軸轉(zhuǎn)動，被稱為所謂的“相鄰?fù)馆喕ハ噢D(zhuǎn)動”。

對于雙頂置凸輪軸發(fā)動機而言，這有可能使2個進氣門的配氣正時彼此相對調(diào)節(jié)。為了檢驗進氣側(cè)不同設(shè)計的循環(huán)潛力和全負(fù)荷性能，用可預(yù)測PM和NOx排放的理論模型對相應(yīng)的方案進行了詳盡的一維循環(huán)計算[5]。由此推知，圖3所示4種方案值得進行發(fā)動機試驗?；谶@項研究，得出了下列2個可能達(dá)到目標(biāo)的方案（其氣門升程曲線如圖4所示）：（1）CIC V1——一種具有量產(chǎn)凸輪外形的進氣側(cè)可變凸輪軸，充氣道側(cè)的進氣門向延遲方向移動；（2）CIC V2——結(jié)構(gòu)與CIC V1相同，但開啟持續(xù)期縮短，最大升程不變。

圖5表示在具代表性的部分負(fù)荷工況點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.32 MPa），渦流比、有效壓縮比和充氣系數(shù)隨進氣門螺旋氣道和充氣道調(diào)節(jié)量變化的仿真結(jié)果。進氣門充氣道的調(diào)節(jié)對渦流比的影響最大。隨著充氣道進氣開啟的推遲，提高了缸內(nèi)氣流的渦流比。

這一提高具有降低PM排放的潛力。所以，借助于相位調(diào)節(jié)器可以無級控制充量運動。用渦流閥同樣可以達(dá)到常規(guī)運行的渦流比。相對充氣氣道的進氣正時調(diào)節(jié)螺旋氣道無法改善充量運動。氣門開啟持續(xù)期對可達(dá)到的渦流水平也不會產(chǎn)生重大效果。

除了對渦流的影響外，進氣門早關(guān)或晚關(guān)也會產(chǎn)生影響。在CIC V1方案中，有效壓縮比隨進氣門關(guān)閉點向后推遲而降低。CIC V2方案則對有效壓縮比的影響較小。在相位調(diào)節(jié)0°CA時實現(xiàn)進氣門早關(guān)，因此壓縮比小于基礎(chǔ)值16.5。充氣道的進氣開啟向推遲方向調(diào)節(jié)時，有效壓縮比先升高（在量產(chǎn)發(fā)動機進氣關(guān)閉范圍內(nèi)），然后在調(diào)節(jié)量再加大時又下降（中等進氣門晚關(guān)）。充氣系數(shù)的變化與有效壓縮比類似。研究結(jié)果表明，特別是結(jié)合阿特金森效應(yīng)，同時改變渦流比，可以達(dá)到挖掘更大潛力的目的。單純改變關(guān)閉時刻而保持渦流不變（例如在CIC V4方案中所實現(xiàn)的），對降排效果不大。

3 試驗臺構(gòu)造與試驗結(jié)果

使用1臺歐5柴油機進行穩(wěn)態(tài)試驗。該機配裝了以下量產(chǎn)的系統(tǒng)裝置：（1）共軌噴油系統(tǒng)，（2）帶可變渦輪的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，（3）冷卻的高壓廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。作為提高充量運動的對照系統(tǒng)，采用了常規(guī)的量產(chǎn)渦流閥模塊（每缸1個渦流閥）。為了進行試驗研究，該發(fā)動機裝有1套試驗臺常用的缸內(nèi)過程檢測分析系統(tǒng)[6]。發(fā)動機控制通常使用Mahle公司的柔性發(fā)動機電控系統(tǒng)。這有可能改變發(fā)動機的各項參數(shù)，并可應(yīng)用其他技術(shù)和軟件功能。能實施的其他軟件功能還有很多，例如燃燒放熱率圖形心調(diào)節(jié)和各個氣缸的平均指示壓力調(diào)整[7]。

根據(jù)具代表性的部分負(fù)荷運行工況點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.32 MPa）的試驗結(jié)果，判定可變氣門系統(tǒng)相對常規(guī)渦流閥的潛力。為使各種方案具有更好的可比性，調(diào)節(jié)范圍用歸一化表示。相對調(diào)節(jié)量0%對應(yīng)2種情況下渦流閥全開，充氣道的進氣門調(diào)節(jié)量等于零。在這兩種情況下，渦流比均約為2.2。100%相對調(diào)節(jié)量對應(yīng)借助于100%關(guān)閉渦流閥或氣門最大調(diào)節(jié)量（60°CA）時可產(chǎn)生最大渦流比，兩者的渦流比基本上均為4.6。

圖6表示3種方案在不同調(diào)節(jié)量下PM、NOx比排放和燃油消耗率的變化。PM排放隨調(diào)節(jié)量加大而減少。就CIC V1方案而言，燃油消耗率隨調(diào)節(jié)量變化而減小，最多達(dá)到2%。就NOx排放而言，渦流閥與CIC V2方案的差不多。與此相反，用CIC V1方案可避免PM與NOx排放之間的目標(biāo)沖突，可借助于提高燃燒室中的渦流強度減少PM排放，而不增加NOx排放。原因在于2種不同的機理：（1）用氣門調(diào)節(jié)提高燃燒室中的渦流強度；（2）進氣門遲關(guān)降低了空氣質(zhì)量、有效壓縮比和缸內(nèi)最高燃燒壓力。

圖7表示隨著CIC V1方案調(diào)節(jié)量的增大，缸內(nèi)最高燃燒壓力下降，已燃區(qū)最高溫度隨之降低。隨著有效壓縮比的下降，缸內(nèi)著火條件也發(fā)生變化。對于CIC V1方案來說，滯燃期隨氣門調(diào)節(jié)量的提高而增大。與之相反，渦流閥對滯燃期的影響很小。隨著滯燃期的加大，在預(yù)燃期燃燒的燃油量（放熱量）減少，轉(zhuǎn)移到主燃燒期內(nèi)（圖7）。由于預(yù)混合燃燒增加，以至缸內(nèi)最高燃燒壓力提高，它足以補償因有效壓縮比降低而減小的壓力。

圖8表示3種方案在100%相對調(diào)節(jié)量下的燃燒放熱率曲線，可以看出，隨著滯燃期加大，放熱率從預(yù)燃燒期轉(zhuǎn)移到主燃燒期。放熱率曲線圖形心位置的調(diào)節(jié)可通過主噴油的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。2次預(yù)噴油對3種方案均相同。

為了研究不同的預(yù)燃燒對主燃燒的影響，對于CIC V1方案和渦流閥方案的燃燒放熱率曲線進行了進一步試驗，借助于噴油始點和噴油量的變化使兩者相同。在預(yù)燃燒放熱率曲線相同和放熱量相等時，仍部分存在主燃燒的差別。CIC V1方案中較長滯燃期和較多的預(yù)混合燃燒，對于像渦流閥這種常規(guī)技術(shù)來說，運用種種實用措施也只能部分實現(xiàn)。只有在降低壓縮比與延長滯燃期相結(jié)合的情況下才能減少PM排放而又不影響NOx排放。由此造成的缸內(nèi)燃燒壓力升高率增長的限制，導(dǎo)致燃燒噪聲增大。在氣門調(diào)節(jié)量最大及EGR率22%時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min及平均有效壓力0.32 MPa工況點的壓力升高率達(dá)到0.4 MPa/°CA。

為了評估在EGR應(yīng)用范圍內(nèi)氣門調(diào)節(jié)的影響，針對2種可調(diào)凸輪軸方案，在油軌壓力不變和燃燒放熱率曲線圖形心位置不變的情況下，以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min、平均有效壓力0.32 MPa時改變EGR率所獲得的性能示于圖9。

從EGR閥全關(guān)（圖9（b）中的A點）出發(fā)，EGR率從0%提高至EGR閥全開（B點）。這時，渦輪增壓器可變渦輪的流通截面保持在量產(chǎn)位置不變。EGR閥全開以后，可變渦輪的截面將逐步縮?。ㄖ钡綀D9（b）的C點）。這使掃氣壓力降提高，從而提高了EGR率。圖9表示渦流閥全關(guān)和凸輪軸全調(diào)節(jié)時，以及渦流閥開啟和凸輪軸不調(diào)節(jié)時（沒有渦流措施）EGR率的變化。在EGR閥全開區(qū)域，燃油耗與NOx排放量的折中曲線上具有明顯的極小值。在最高EGR率區(qū)域，可變渦輪截面的減小導(dǎo)致燃油耗上升。

CIC V1方案對排放和燃油耗的正面作用在于也存在高EGR率區(qū)域。在整個EGR率變化范圍內(nèi)，無論是CIC V1方案，還是CIC V2方案，在燃油耗方面的優(yōu)越性均超過關(guān)閉的渦流閥方案。渦流閥方案和CIC V2方案在EGR率變化時均存在PM與NOx排放間的目標(biāo)沖突。在幾乎相同的燃燒放熱率曲線下，渦流閥方案和CIC V2方案也有相似的折中。CIC V1方案影響燃燒放熱率曲線的效應(yīng)，特別是較大比例的預(yù)混合燃燒，導(dǎo)致它對EGR有較大的容忍度。雖然EGR率提高到40%以上，但在整個EGR率變化范圍內(nèi)，PM排放都呈現(xiàn)較低水平。反之，在同樣的EGR率變化范圍內(nèi)，渦流閥方案和CIC V2方案的PM排放增加較多。

4 循環(huán)潛力

根據(jù)使用可調(diào)凸輪軸情況下EGR率變化的結(jié)果，針對與NEDC測試循環(huán)相關(guān)的運行工況點，應(yīng)用類似于圖9的方法，揭示可調(diào)凸輪軸在考慮到歐5排放要求條件下的燃油耗潛力。為此，將這種典型汽車中運用的試驗發(fā)動機行駛循環(huán)模擬植人GT Drive計算程序。首先，針對由此推導(dǎo)出的、與循環(huán)相關(guān)的燃油耗及其約80%的運行工況點（圖10中的運行工況點），利用GT Power軟件進行工作過程計算，初步確定可調(diào)凸輪軸的最佳調(diào)節(jié)參數(shù)，接著，用熱狀態(tài)發(fā)動機在試驗臺上得出這一技術(shù)在歐5排放水平下的基準(zhǔn)值，作為循環(huán)模擬的數(shù)據(jù)庫。在循環(huán)模擬中寄存發(fā)動機的1條摩擦功率加熱曲線。由于對暖車運行引起的原始排放偏差將不作模擬，不論對于渦流閥方案，還是可調(diào)凸輪軸方案，均用EGR來達(dá)到歐5的NOx排放限值。通過噴油始點、噴油壓力和可變渦輪截面之間的進一步匹配，各方案在所有運行工況點都達(dá)到了幾乎相同的NOx和PM排放值。

用渦流閥方案的基本型發(fā)動機在上述模型中得出的燃油耗值與制造商公布的數(shù)值作了比較。應(yīng)用這一模型對可調(diào)凸輪軸方案進行穩(wěn)態(tài)試驗，在接近歐5 NOx原始排放的邊界條件下，燃油耗有3%的優(yōu)勢。圖10表示在與NEDC有關(guān)的發(fā)動機特性曲線區(qū)域所得出的燃油耗優(yōu)勢。最大優(yōu)勢出現(xiàn)在小負(fù)荷和怠速運行工況。凸輪相位調(diào)節(jié)器的功率損失最大約為10 W（按發(fā)動機機油的液壓功率需求計算），保持在已給出的數(shù)值范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

圖11表示借助于渦流效果、有效壓縮比和換氣功對各種可變性方案進行的評估總結(jié)。除了本文所提出的可調(diào)凸輪軸CIC V1方案和CIC V2方案外，還研究了其他方案，以分析雙作用相位調(diào)節(jié)器的更大潛力。由此產(chǎn)生了第2個自由度，提供了對應(yīng)圖5中所示特性曲線圖的調(diào)節(jié)可能性。

圖3中的CIC V4方案提供了一種阿特金森效應(yīng)，即進氣門遲關(guān)，而不改變渦流。CIC V4方案對發(fā)動機的影響與CIC V2方案的差不多。但PM排放性能較差。CIC V3方案除了渦流外還能實現(xiàn)進氣門遲開，對發(fā)動機的暖機運行具有正面作用，為此可使排氣溫度提高50 K，當(dāng)然肯定要以犧牲一定的燃油耗為代價。應(yīng)用常規(guī)的相位調(diào)節(jié)器也可產(chǎn)生渦流。進氣門遲開60°CA甚至可達(dá)到比用渦流閥或可調(diào)凸輪軸更高的渦流水平。進氣門遲開與進氣門遲關(guān)相結(jié)合使充氣量下降，換氣損失大大增加。這對減少NOx排放并沒有好處，因為壓縮終了溫度和最高燃燒溫度都提高了。以燃油耗顯著增加為代價，能改善暖機性能。

Mahle公司的研究表明，在進氣側(cè)采用雙作用相位調(diào)節(jié)器時附加潛力很小。借助于常規(guī)柴油機的調(diào)節(jié)閥門（有損失），更易實現(xiàn)排氣溫度升高方面的可變性。

研究證實，在現(xiàn)代轎車柴油機上采用CIC技術(shù)的可調(diào)凸輪軸，可有效挖掘減少排放和燃油耗的潛力，從而為滿足未來的排放要求作出貢獻。從發(fā)動機臺架試驗結(jié)果可知，與常規(guī)渦流閥運行相比，可調(diào)凸輪運行方案具有以下優(yōu)勢：（1）減少PM排放的效果與渦流閥方案的差不多；（2）通過進氣門遲關(guān)（較小的有效壓縮比），減少NOx生成，從而達(dá)到PM與NOx排放間的良好折中；（3）通過改善換氣和降低最高燃燒壓力，可減少燃油耗。

為使原始排放減至最低，盡可能降低壓縮比已成趨勢。這導(dǎo)致在冷起動階段保證發(fā)動機良好的運行十分困難。就解決這一問題而言，可調(diào)凸輪軸倒是一種有效的技術(shù)，因為它在怠速附近的極小負(fù)荷區(qū)域也能使燃燒更穩(wěn)定。

可調(diào)凸輪軸的其他應(yīng)用領(lǐng)域還包括排氣側(cè)，使其能夠在不依賴新鮮空氣的前提下管理排氣溫度，改善催化轉(zhuǎn)化器的起燃，以及加速和優(yōu)化后續(xù)排氣后處理裝置的再生。